深部動壓影響軟底巷道底鼓機理及控制措施

李萬仕

(1.陜西華彬煤業股份有限公司； 2.西安科技大學能源學院)

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·安全·環保·

深部動壓影響軟底巷道底鼓機理及控制措施

李萬仕1，2

(1.陜西華彬煤業股份有限公司； 2.西安科技大學能源學院)

以蔣家河煤礦回風大巷為例，采用現場實測和工業試驗方法分析得出巷道在圍巖特性、地應力、水理性、鄰近工作面采動影響和現行支護結構5個因素誘導下發生復合型底鼓，底板巖性和水理性是巷道底鼓的本質原因，通過實施全斷面預應力注漿綜合加固方案，有效控制巷道圍巖破壞變形。

泥巖 復合型底鼓 流變 全斷面預應力注漿綜合加固法

隨著煤礦開采深度的不斷增加，巷道底鼓問題成為制約礦井安全生產的技術難題。在巷道圍巖控制方面，黃慶享等[1-2]根據巷道頂板、兩幫、底板的相互影響關系，提出了極限自穩平衡圈理論；康紅普[3]分析研究了采動、側壓系數對巷道底鼓的影響以及底板軟巖層厚度、兩幫圍巖力學性質與底鼓的關系；王衛軍[4]通過數值模擬研究了兩幫對巷道底鼓的影響，提出了加固兩幫控制巷道底鼓的對策；趙維生等[5]研究了主應力對深部軟巖巷道圍巖穩定性的影響規律；楊軍等[6]研究了彬長礦區亭南煤礦大巷底鼓機理，提出了“四控”、“一措施”控制巷道底鼓。彬長礦區蔣家河煤礦開采侏羅紀延安組煤層，煤層底板為炭質泥巖和鋁質泥巖，回風大巷沿煤層底板布置，巷道底鼓現象尤為嚴重。相關人員針對蔣家河煤礦巷道圍巖控制開展了研究[7-11]，本文針對巷道底鼓機理及控制措施進行研究，以保證巷道安全可持續生產。

1 工程概況

1.1 巷道概況

蔣家河煤礦回風大巷采用直墻半圓拱形斷面，高4 m，寬4.8 m，埋深為600～625 m，采用錨網索噴支護。巷道南邊為ZF1402工作面，保護煤柱為70 m。回風大巷沿4#煤層掘進，頂板10 m范圍內主要巖性是泥巖、砂質泥巖和中砂巖，泥巖強度平均為29.34 MPa，中砂巖強度平均為45.65 MPa，砂質泥巖強度平均為32.34 MPa；4#煤完整性較差，強度主要集中在10～32.28 MPa，平均為14.58 MPa；底板為炭質泥巖和鋁質泥巖，遇水易膨脹。

1.2 巷道破壞特征

頂板：拱頂噴層大片開裂脫落，鋼筋網片外露；拱頂受擠壓水平錯動破壞出現網兜，網兜高度最大為300 mm；拱頂出現倒“V”字破壞，最大破壞深度為670 mm。

幫部：兩幫噴層大部分較為完整，局部有開裂，兩幫寬度保持在4 400～4 600 mm，移近很小。

底板：底鼓變形最為嚴重，底鼓量平均在1 500 mm以上，局部最大底鼓量超2 200 mm。中間底鼓量大，兩幫幫腳處底鼓量較小。

巷道破壞變化情況見圖1。

圖1 巷道破壞變化情況示意(單位：mm)

2 巷道圍巖破壞主要誘因

2.1 巷道圍巖特性

回風大巷處于4#煤層之中，煤層裂隙發育，完整性較差，強度低；頂板巖層存在較為明顯的裂隙和夾層，頂板6 m以下圍巖裂隙發育；巷道底板為泥巖和鋁土質泥巖，強度極低，容易破壞。

2.2 地應力

回風大巷所在區域最大水平主應力為27.82 MPa，最小水平主應力為14.03 MPa，垂直主應力為14.95 MPa，屬于高應力區域，區域構造應力占絕對優勢。巷道開挖后，水平應力在巷道兩幫出現應力降低區，在巷道頂板與底板出現應力集中區。底板在水平應力擠壓下向巷道內部鼓起，形成底鼓。

2.3 水理作用

通過X射線衍射分析等實驗得出，回風大巷底板泥巖主要成分為高嶺石、伊利石和伊蒙混層，含量分別為67%、15.5%和14%。高嶺石、伊利石、伊蒙混層具有遇水軟化與泥化特性，伊蒙混層具有遇水膨脹性。通過吸水試驗可知：底板鋁質泥巖吸水量隨時間而增大，初始吸水速率比較大，吸水量呈線性增長，吸水增加到一定時間后，吸水速率逐漸減小，曲線變緩，最終達到平衡；試樣強度隨吸水量的增加而減小。

2.4 支護結構

回風大巷屬于大斷面巷道，現有支護對巷道底板未采取控制措施，加之底板為泥巖，強度低，遇水后膨脹、泥化現象嚴重；在高應力作用下，底板成為整個巷道的薄弱點，使得底鼓較為顯著。兩幫及頂板錨網支護組合構件匹配不合理，支護強度低，錨桿破斷力小，組合構件護表面積小，錨索預應力無法擴散，導致垂直應力通過兩幫傳遞到底板。

2.5 采動影響

回風大巷距離ZF1402工作面100 m以上時，巷道底鼓量較小，為500～620 mm；距離工作面100 m以內，巷道底鼓速率增大，底鼓量迅速增加，達到2 030 mm；測點進入工作面后方50 m時，巷道底鼓速率減小，底鼓量達到2 120 mm，趨于穩定。

3 巷道底鼓機理及控制原則

3.1 巷道底鼓機理

異常集中的區域構造應力、現行不合理的支護結構、鄰近工作面采動影響和巷道擔負排水任務等影響因素是巷道發生變形破壞，尤其是底鼓的重要外在原因：①炭質泥巖和鋁質泥巖抵變形能力差，巷道開挖后底板在垂直應力和水平應力長時間作用下產生流變；②巷道圍巖裂隙發育，遇水后極易導通向圍巖內部擴散，致使發生底鼓；③受臨近工作面的回采擾動，礦壓顯現明顯，進一步加劇了巷道變形破壞;④現有支護形式使巷道底板處于無支護狀態，對頂板、兩幫巖(煤)體的支護強化使得底板難以與之形成相應的完整承載結構，成為承載的薄弱區域，導致底鼓變形在巷道變形破壞中最為突出。

回風大巷屬于復合型底鼓，主要由高應力作用下底板巖層擴容引起的彎曲型底鼓、吸水性礦物成份遇水產生的膨脹性底鼓以及軟弱巖層在高應力作用下的流變等組成。加強底板支護、防止底板見水是巷道底鼓控制的關鍵。

3.2 控制原則

回風大巷底鼓控制原則：

(1)底板防封水是關鍵。

(2)主動支護，強化底板強度，提高承載能力。

(3)采用“整環支護”理念，將底板、幫、頂板做整體考慮。

(4)關鍵部位加強支護，即對巷道兩底角加強支護。

針對巷道底鼓發生機理，結合上述原則，對回風大巷采取全斷面預應力注漿綜合加固法進行圍巖控制，采用深孔和淺孔相結合的注漿方法，提高注漿效果和巷道圍巖的完整性，依托高預應力和預應力擴散為核心的支護理論進行錨索全斷面補強支護。

4 工程實踐

4.1 巷道加固

4.1.1 預注漿

為封堵圍巖表面裂隙，對巷道進行全斷面預注漿。底板預注漿孔為5排，“五花”布置，排距為750 mm，間距為3 000 mm，深2 500 mm；沿巷道走向頂板及兩幫預注漿孔為9排，“五花”布置，排距為1 175 mm，間距為2 400 mm，深6 000 mm；直徑均為56 mm。采用鋁塑注漿管全長一次注漿，封孔材料為棉紗和水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力為1～3 MPa。

4.1.2 錨索加固

錨索采用φ22 mm的1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線和300 mm×330 mm×16 mm異形高強度拱形托盤，在托盤拱部自鉆一個φ20 mm注漿孔。

底板錨索布置4排，間距為1 200 mm，排距為1 200 mm，兩邊錨索外扎15°施工，其余錨索垂直底板施工，錨索孔孔徑為56 mm，錨索長5 500 mm，采用水泥漿錨固，錨固端為1 200～1 500 mm，制作成鳥籠錨索；其余長度套裝內徑24 mm、外徑26 mm塑料套管并密封，成為自由段。底板錨索配合φ20 mm圓鋼制作鋼筋梯子梁、φ6.5 mm鋼筋焊接網片綜合加固。

頂板及兩幫錨索布置7排，排距為1 200 mm，間距為1 500 mm，鉆孔直徑為32 mm，錨索長6 300 mm，采用樹脂加長錨固，錨固長度為1 560 mm。

4.1.3 二次注漿

為了漿液能更好地充填巖層裂隙，采用水泥漿對分錨索孔二次注漿，注漿終止壓力為2～3 MPa。

4.2 綜合加固效果分析

4.2.1 巷道表面位移分析

巷道加固后30 d圍巖出現變形，110 d后逐步趨于穩定，半年內兩幫移近量、底鼓量、頂板下沉量分別達到11,22，12 mm。位移監測結果見圖2。

圖2 巷道圍巖移近量監測結果

4.2.2 錨索受力分析

加固后，錨索與巷道圍巖相互作用，錨索受力先后經歷快速增長期、波動變化期和平穩變化期，錨索應力值穩定時間與圍巖變形穩定時間接近，此階段錨索受力達到最大(342 kN)，但尚未達到錨索的屈服極限(550 kN)，表明錨索有一定的安全儲備，巷道支護安全可靠。錨索受力監測結果見圖3。

圖3 錨索受力監測結果

5 結 論

某巷道屬于復合型底鼓，是巷道圍巖特性、地應力、水理作用、現行支護結構及采動影響等因素綜合作用的結果。采用全斷面預應力注漿綜合加固后，半年內巷道底鼓量為22 mm，兩幫移近量為11 mm，頂板下沉量為12 mm，錨索最大受力為342 kN，支護形式合理可靠，能夠有效控制巷道變形破壞。底板防封水，主動支護，“整環支護”，關鍵部位加強支護是控制巷道底鼓的重要原則。

[1] 黃慶享，劉玉衛．巷道圍巖支護的極限自穩平衡拱理論[J]．采礦與安全工程學報，2014，31(3)：354-358．

[2] 黃慶享，鄭 超．巷道支護的自穩平衡圈理論[J]．巖土力學，2016，37(5)：1231-123．

[3] 康紅普．應力狀態及圍巖性質對巷道底鼓的影響[J]．礦山壓力與頂板管理，1994，11(2)：43-46．

[4] 王衛軍，馮 濤．加固兩幫控制深井巷道底鼓的機理研究[J]．巖石力學與工程學報，2005，24(5)：808-811．

[5] 趙維生，韓立軍，張益軍，等．主應力對深部軟巖巷道圍巖穩定性影響規律研究[J]．采礦與安全工程學報，2015，32(3)：504-510．

[6] 楊 軍，石海洋．亭南煤礦深部軟巖巷道底鼓“四控”機理及應用[J]．采礦與安全工程工程學報，2015，32(2):247-252．

[7] 蔡克海，劉會斌，安俊孝，等．彬長礦區軟底巷道變形特征及治理方案[J]．煤礦開采，2013，18(5)：60-62．

[8] 李萬仕，胡 偉．復雜條件下軟底巷道變形特征及治理方案[J]．陜西煤炭，2015，34(6)：74-76，111．

[9] 丁向勇．蔣家河煤礦錨桿支護技術研究與應用[D]．西安：西安科技大學，2014．

[10] 李萬仕．極限自穩平衡圈理論在巷道圍巖控制中的應用[J]．中州煤炭，2015，239(11)：59-62．

[11] 丁向勇，師 勇，胡永江，等．單一厚煤層煤巷支護研究[J]．煤炭技術，2016，35(6)：62-64．

Mechanism of the Influence of Deep Dynamic Pressure to the Floor Heave of Roadway Soft Floor and Controlling Measures

Li Wanshi1,2

(1.Shaanxi Huabin Coal Company Co.,Ltd.;2.College of Energy Science and Engineering, Xi'an University of Science and Technology)

Taking the return air roadway of Jiangjiahe coal mine as the study example,the in-situ measure method and industrial test method are adopted to analyze the cause of the floor heave,the analysis results show that the compound floor heave is produced under the influence of surrounding rock characteristics,in-situ stress, hydraulic nature,mining influence of nearby working face and supporting structure,the rock characteristics and hydraulic nature of the roadway floor are the essential influence factors of the roadway floor heave.Based on the above analysis results, the prestressed grouting comprehensive reinforcement scheme in whole section is proposed,the failure strain of roadway surrounding rock is controlled effectively.

Mudstone,Compound floor heave,Rheological,Prestressed grouting comprehensive reinforcement method in whole section

2016-07-19)

李萬仕(1985—)，男，總工程師，工程師，碩士，713500 陜西省咸陽市彬縣姜嫄街5號。